1、第七章 光纖傳感檢測技術(shù),光纖傳感器的基礎(chǔ) 光纖的光波調(diào)制技術(shù) 光纖傳感器實(shí)例 分布式光纖傳感器,1,PPT學(xué)習(xí)交流,7.1 光纖傳感器的基礎(chǔ),1、光纖的結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維（Optical Fiber 簡稱光纖）又纖芯、包層及外套組成。纖芯折射率大于包層折射率。 光纖具有使光封閉在纖芯里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ堋?外套起保護(hù)作用。,2,PPT學(xué)習(xí)交流,3,PPT學(xué)習(xí)交流,2、光纖的種類 1）按制作材料 高純度石英玻璃纖維 多組分玻璃光纖 塑料光纖 2）按傳輸模式分 單模光纖 多模光纖,4,PPT學(xué)習(xí)交流,3）按折射率分布特點(diǎn)分 階躍光纖 梯度光纖,階躍光纖,梯度光纖,4）按用途分 通信光纖 特殊光纖 5）按制

2、作方法分 化學(xué)氣相沉積法、雙坩堝/三坩堝法。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,3、光纖的傳輸原理 1）光線傳播解釋 將光看作光線。光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播，在滿足一定條件時(shí)發(fā)生全反射。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,全反入射角：,可得：,NA稱為數(shù)值孔徑(Numerical Aperture)。 NA是光纖受光能力的標(biāo)度。,標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的NA公稱值一般為0.2，孔徑角為11.5o； 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的NA公稱值一般為0.10.15，孔徑角約5.7o8.6o,7,PPT學(xué)習(xí)交流,在梯度光纖中：,在梯度光纖中的折射,在梯度光纖中的傳播,自聚焦效應(yīng),8,PPT學(xué)習(xí)交流,2）波導(dǎo)傳播解釋 將光看作電磁波。用麥克斯韋方程解表示

3、光波。,滿足麥克斯韋方程的任一特解稱為一種模式，簡稱模。任意電磁波可以看作多個(gè)模式的線性組合，同樣滿足麥克斯韋方程。電磁波主要有橫模和縱模。,9,PPT學(xué)習(xí)交流,光波在光纖中傳播存在三類模式： 傳輸模（導(dǎo)模）、泄漏模（漏模）、輻射模,導(dǎo)模：光功率限制在纖芯內(nèi)傳播的光波場，又稱為芯模。包括橫電模、橫磁模和混合模。,漏模：在纖芯內(nèi)及距纖壁一定距離的包層中傳播的光波場，又稱為包層模。,輻射模：在纖芯和包層中均為傳輸場，不滿足全反射條件，模場能量向包層外溢出，光纖失去對光波場功率的限制作用。,10,PPT學(xué)習(xí)交流,三種模式： a）TEmn模。在軸向只有磁場分量H，而橫截面上只有電場分量E。稱為橫電模。

4、 b）TMmn模。在軸向只有電場分量E，而橫截面上只有磁場分量H。稱為橫磁模。 c）HEmn模（ EHmn模） 。軸向同時(shí)存在電場分量和磁場分量。稱為混合模。m,n表示貝塞爾函數(shù)的階及相應(yīng)的根數(shù)。代表不同的模式。,11,PPT學(xué)習(xí)交流,不同模式的傳輸特性不同。,若光纖中僅傳播HE11基模，則因該模在芯心處最強(qiáng)，所以光纖輸出的光斑是一個(gè)外圍光強(qiáng)較弱的圓光斑。TE01模則因芯心處電場最弱，所以光纖輸出光斑將在芯心處出現(xiàn)暗區(qū)。,12,PPT學(xué)習(xí)交流,電磁波可表示為：,為傳播常數(shù)。,決定了在傳播過程中等效在z方向上引入的相位變化值。光纖軸向相速度由/決定。,歸一化頻率為：,13,PPT學(xué)習(xí)交流,歸一化

5、頻率是表征光纖中模式傳播特性的重要參數(shù)。在一個(gè)給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的光纖中，允許存在的導(dǎo)模數(shù)目取決于v，v越大，允許存在的導(dǎo)模越多，反之亦然。,當(dāng) 時(shí)，只允許一個(gè)模式（HE11）。,梯度型,階躍型,14,PPT學(xué)習(xí)交流,歸一化頻率與傳輸模式之間的關(guān)系,15,PPT學(xué)習(xí)交流,4、光纖的特性 損耗和色散 1）損耗 定義為：光波在光纖中傳輸1km產(chǎn)生的功率衰減分貝數(shù)。,式中 Pi光纖輸入端光功率； Po光纖輸出端光功率； L光纖長度；,16,PPT學(xué)習(xí)交流,損耗隨波長的增大而減小。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,光纖損耗主要有： 吸收損耗 由于光纖材料的量子躍遷致使一部分光功率轉(zhuǎn)換為熱量造成的傳輸損耗。 本征吸收、

6、雜質(zhì)吸收和原子缺陷吸收。 本征吸收是物質(zhì)固有的，主要是由紫外和紅外波段電子躍遷和振動(dòng)躍遷引起的吸收。 本征損耗一般很小，約0.010.05dB/Km。 雜質(zhì)吸收是由于光纖材料中的正過渡金屬離子的電子躍遷和氫陽根負(fù)離子的分子振動(dòng)躍遷引起的吸收。,18,PPT學(xué)習(xí)交流,原子缺陷吸收是由于強(qiáng)烈的熱、光或射線輻射使光纖材料受激出現(xiàn)原子缺陷產(chǎn)生的損耗。 散射損耗 瑞利散射、布里淵散射 、拉曼散射等 瑞利散射是由于光纖中遠(yuǎn)小于光波長的物質(zhì)密度不均勻性和摻雜濃度不均勻引起的散射。 分為斯托克斯散射（波長向長波方向偏移）和反斯托克斯散射（向短波方向偏移） 散射光正比于1/4。 用長波可減小瑞利散射。,19,P

7、PT學(xué)習(xí)交流,彎曲損耗 曲率半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑的彎曲所產(chǎn)生的附加損耗。 產(chǎn)生彎曲損耗的效應(yīng)主要有：空間濾波、模式泄漏、模式耦合 空間濾波：光纖彎曲部分高階模因全反射條件破壞而折射到包層中，將所攜帶的能量輻射到光纖之外的一中物理效應(yīng)。 彎曲半徑越小，損耗越大。是彎曲損耗中的主要損耗。 模式泄漏：光場遠(yuǎn)離纖芯的部分因彎曲不再滿足模式傳輸要求而輻射出光纖。,20,PPT學(xué)習(xí)交流,模式耦合：纖芯中的導(dǎo)模和包層中的輻射模發(fā)生模式耦合，使導(dǎo)模能量減小。 2）色散 光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。 不同波長、不同模式下的值不同。 光纖色散主要有：材料色散、模式色散、波導(dǎo)色散。,21,PPT學(xué)習(xí)交流,幾

8、種色散： a）材料色散 又稱折射率色散。不同波長的折射率不同引起。發(fā)射光譜寬度越窄，材料色散越小。是單模光纖的主要色散。 b）模式色散 梯度光纖中模式間傳播速度不同引起。是梯度型多模光纖的主要色散。單模光纖中不存在模式色散。 自聚焦光纖中理論上也不存在模式色散。,22,PPT學(xué)習(xí)交流,c）波導(dǎo)色散 又稱結(jié)構(gòu)色散。光纖結(jié)構(gòu)不同，同一模式的傳播常數(shù)隨頻率變化引起。 5、光纖傳感器分類 1）功能型傳感器（function fiber optical sensor FF） 光纖作為傳感元件 2）非功能型傳感器（non function fiber optical sensor NF） 光纖作為傳光元件

9、,23,PPT學(xué)習(xí)交流,6、光纖傳感器的特點(diǎn) 檢測精度和靈敏度高。 響應(yīng)速度快，頻響寬，可實(shí)現(xiàn)非接觸高速檢測。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 體積小、重量輕、具有可集成的潛力。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,光纖傳感器的基礎(chǔ) 光纖的光波調(diào)制技術(shù) 光纖傳感器實(shí)例 分布式光纖傳感器,25,PPT學(xué)習(xí)交流,外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、波長（顏色）、頻率、相位、偏振態(tài)等性質(zhì)發(fā)生變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)的調(diào)制原理。 調(diào)制方式：強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、光譜調(diào)制等。 1、強(qiáng)度調(diào)制 1）微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制 多模光纖（或單模光纖）微彎時(shí)，一部分芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量，通過測量包層模式的能量或芯模

10、能量的變化就能測量外界物理量。 以模式耦合造成的損耗為主。,26,PPT學(xué)習(xí)交流,梯度型光纖中：,階躍型光纖中：,27,PPT學(xué)習(xí)交流,2）折射率變化強(qiáng)度調(diào)制 溫度變化可引起光纖折射率變化，外界環(huán)境折射率變化，都可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。,28,PPT學(xué)習(xí)交流,3）線位移或角位移強(qiáng)度調(diào)制,光強(qiáng)分布,29,PPT學(xué)習(xí)交流,4）光閘強(qiáng)度調(diào)制,30,PPT學(xué)習(xí)交流,5）反射式強(qiáng)度調(diào)制,31,PPT學(xué)習(xí)交流,2、偏振調(diào)制 振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振。 光按偏振態(tài)可分為：自然光、偏振光、部分偏振光。 自然光：,32,PPT學(xué)習(xí)交流,偏振光：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光,（a）線偏振光,光矢量端點(diǎn)的

11、軌跡為直線，即光矢量只沿著一個(gè)確定的方向振動(dòng)，其大小、方向不變，稱為線偏振光。,33,PPT學(xué)習(xí)交流,（b）橢圓偏振光 光矢量端點(diǎn)的軌跡為一橢圓，即光矢量不斷旋轉(zhuǎn)，其大小、方向隨時(shí)間有規(guī)律的變化。 （c）圓偏振光 光矢量端點(diǎn)的軌跡為一圓，即光矢量不斷旋轉(zhuǎn)，其大小不變，但方向隨時(shí)間有規(guī)律地變化。 部分偏振光：,34,PPT學(xué)習(xí)交流,雙折射： 一束自然光入射于單軸晶體時(shí)，會(huì)變成兩束折射光，其中一束遵守折射定律稱為o光，另一束不遵守折射定律，稱為e光。o光、e光都是線偏振光，o光的振動(dòng)方向垂直于o光的主平面，e光的振動(dòng)方向在e光的主平面內(nèi)。,35,PPT學(xué)習(xí)交流,偏振調(diào)制就是利用電光、磁光和光彈等物

12、 理效應(yīng)，改變光的偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。 1）調(diào)制原理 a）泡克爾斯（Pockels）效應(yīng)（感應(yīng)雙折射） 壓電晶體在電場作用下表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象。 兩正交偏振光的相位變化為：,36,PPT學(xué)習(xí)交流,b）法拉第磁光效應(yīng) 光通過帶磁性的物體時(shí)，偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。,光傳播方向與磁場一致時(shí)，V0，迎著光傳播方向看，偏振面順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn) 光傳播方向與磁場一致時(shí)，V0，迎著光傳播方向看，偏振面逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn),37,PPT學(xué)習(xí)交流,d）光彈效應(yīng)（壓力雙折射） 晶體在壓力作用下表現(xiàn)出雙折射性質(zhì)。,相位變化可表示為：,折射率變化為：,物質(zhì)常數(shù) 施加的應(yīng)力,光程差：,38,PPT學(xué)習(xí)交流,c）其他方式（非功能型）,透射

13、式,反射式,39,PPT學(xué)習(xí)交流,d）光偏振態(tài)的檢測 偏振態(tài)光強(qiáng),單光路法,輸出光強(qiáng)：,40,PPT學(xué)習(xí)交流,雙光路法,WP：沃拉斯登棱鏡,D1，D2的輸出：,偏轉(zhuǎn)角為：,41,PPT學(xué)習(xí)交流,3、相位調(diào)制 利用外界因素改變光纖中光波的相位通過檢測相位變化來測量物理量的原理稱為相位調(diào)制。 相位調(diào)制的靈敏度極高。 1）應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)光纖受到縱向（橫向）的機(jī)械應(yīng)力時(shí)，光纖的長度（應(yīng)變效應(yīng)）、光纖芯的直徑（泊松效應(yīng)）、纖芯折射率（光彈效應(yīng)）都將變化，從而引起光波相位變化。,42,PPT學(xué)習(xí)交流,2）塞格納克效應(yīng),順時(shí)針一周的實(shí)際光程：,逆時(shí)針一周的實(shí)際光程：,光程差：,相位差：,43,PPT學(xué)習(xí)交

14、流,3）溫度應(yīng)變效應(yīng) 溫度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)力應(yīng)變相似。同時(shí)引起長度和折射率的變化。相位改變值與待測場中光纖長度L成正比，具有很高的靈敏度。 4）相位解調(diào) 相位表現(xiàn)在復(fù)振幅的復(fù)數(shù)部分，只有通過干涉將其轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)才能被探測器接收到。,44,PPT學(xué)習(xí)交流,5）幾種光纖干涉儀 a）雙光束光纖干涉儀 邁克爾遜光纖干涉儀、馬赫-澤德爾光纖干涉儀、斐索光纖干涉儀,邁克爾遜光纖干涉儀,45,PPT學(xué)習(xí)交流,馬赫-澤德爾光纖干涉儀,優(yōu)點(diǎn)：不帶纖端反射鏡，克服了回波干擾的問題。,46,PPT學(xué)習(xí)交流,斐索光纖干涉儀,P1、P2:偏振片 M1、M2:反射鏡，構(gòu)成斐索干涉腔,47,PPT學(xué)習(xí)交流,b）三光束光纖干涉儀,

15、優(yōu)點(diǎn)：形成多光束干涉，清晰度、銳度比雙光束干涉好，可提高測量精度。,48,PPT學(xué)習(xí)交流,c）塞格納克光纖干涉儀,多饒可提高精度,49,PPT學(xué)習(xí)交流,d）法布里-泊羅光纖干涉儀 本征F-P腔和非本征F-P腔 非本征F-P干涉儀（EFPI）,透射式,反射式,50,PPT學(xué)習(xí)交流,輸出的光強(qiáng)：,優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,本征F-P干涉儀（FFPI）,51,PPT學(xué)習(xí)交流,e）光強(qiáng)探測,常采用光電二極管（PIN）、光電三極管和雪崩二極管（APD）作為光電探測器。,輸出的電流為：,可采用單探測器法、雙探測器法和三探測器法,52,PPT學(xué)習(xí)交流,三探測器法,可采用單探測器法,雙探測器法,53,PPT學(xué)習(xí)交流,4

16、、頻率調(diào)制 利用外界因素改變光的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量外界物理量的原理，稱為頻率調(diào)制。 頻率調(diào)制基于多普勒效應(yīng)。,54,PPT學(xué)習(xí)交流,多普勒光纖測速儀,55,PPT學(xué)習(xí)交流,光纖傳感器的基礎(chǔ) 光纖的光波調(diào)制技術(shù) 光纖傳感器實(shí)例 分布式光纖傳感器,56,PPT學(xué)習(xí)交流,1、光纖位移傳感器,7.3 光纖傳感器實(shí)例,反射式光纖位移傳感器,57,PPT學(xué)習(xí)交流,58,PPT學(xué)習(xí)交流,液面測量,59,PPT學(xué)習(xí)交流,2、光纖溫度傳感器 1）輻射溫度傳感器,輻射曲線,60,PPT學(xué)習(xí)交流,2）半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器 半導(dǎo)體材料吸收的波長隨溫度增加向長波移動(dòng)。透過率隨溫度增加而減小。,61,PP

17、T學(xué)習(xí)交流,a）雙光纖參考基準(zhǔn)通道法,62,PPT學(xué)習(xí)交流,b）雙光源參考基準(zhǔn)通道法,63,PPT學(xué)習(xí)交流,3）熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器,64,PPT學(xué)習(xí)交流,65,PPT學(xué)習(xí)交流,4）光纖角速度傳感器,66,PPT學(xué)習(xí)交流,5）光纖壓力傳感 a）快門式,67,PPT學(xué)習(xí)交流,b） 動(dòng)?xùn)攀?光柵常數(shù)越小，靈敏度越高。,68,PPT學(xué)習(xí)交流,c） 光彈壓力傳感,69,PPT學(xué)習(xí)交流,d）微彎式壓力傳感,70,PPT學(xué)習(xí)交流,e）膜調(diào)制光纖壓力傳感,71,PPT學(xué)習(xí)交流,6）光纖電流傳感器 兩類： 單模光纖：利用法拉第效應(yīng)，用于測量高壓大電流； 金屬被覆多模光纖：利用微彎效應(yīng)，用于測量小電流。,72

18、,PPT學(xué)習(xí)交流,金屬被覆光纖電流傳感器,傳感元件,73,PPT學(xué)習(xí)交流,光纖傳感器的基礎(chǔ) 光纖的光波調(diào)制技術(shù) 光纖傳感器實(shí)例 分布式光纖傳感器,74,PPT學(xué)習(xí)交流,被測量呈空間分布時(shí)，將傳感光纖沿場排布，對場的空間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測量或監(jiān)控。 分布式光纖傳感可獲得多點(diǎn)信息，性價(jià)比高，信息容量大。 可分為本征型和非本征型（準(zhǔn)分布式）,7.4 分布式光纖傳感器,75,PPT學(xué)習(xí)交流,1、準(zhǔn)分布式光纖傳感原理 將呈一定空間分布的相同調(diào)制類型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線上，通過尋址、解調(diào)，檢測出被測量的大小及空間分布。總線光纖僅起傳光作用。 可分為： 時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplex TDM) 波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplex WDM) 頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplex FDM) 空分復(fù)用(Space Division Multiplex SDM) 偏分復(fù)用(Polarization Division Multiplex PDM),76,PPT學(xué)習(xí)交流,a) 時(shí)分復(fù)用(TDM),反射式,透射式,不同傳感器信號(hào)到達(dá)探測器時(shí)間不同